光调制器

摘要

本发明的目的是提供一种不产生原理性光损耗且结构简单的PS‑QPSK光调制器。为解决上述问题，本发明的光调制器具有使来自主输入端口的输入光一分为二的输入光分支单元；使两个系统的光信号以相互正交的偏振状态相耦合，并向主输出端口输出的最终光耦合单元；位于上述输入光分支单元与最终光耦合单元的中间位置，并具有至少两个输入端口与至少两个输出端口的中间光耦合单元；连接上述输入光分支单元与上述中间光耦合单元并且光路长度彼此大致相等的第一以及第二光路；连接上述中间光耦合单元与上述最终光耦合单元并且光路长度彼此大致乎相等的第三以及第四光路；以及分别配置于上述第一、第二、第三以及第四光路中的三条光路的三个二级相位调制单元。

权利要求

1.一种光调制器，其特征在于，具有：

输入光分支单元，其使来自主输入端口的输入光一分为二；

最终光耦合单元，其使两个系统的光信号以相互正交的偏振状态耦合，并向主输出端口输出；

中间光耦合单元，其位于所述输入光分支单元与最终光耦合单元的中间位置，并具有至少两个输入端口与至少两个输出端口；

第一以及第二光路，其连接所述输入光分支单元与所述中间光耦合单元，并且光路长度彼此大致相等；

第三以及第四光路，其连接所述中间光耦合单元与所述最终光耦合单元，并且光路长度彼此大致相等；以及二级相位调制单元，其分别配置于所述第一、第二、第三以及第四光路中的三条光路中，共具有三个。

2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述二级相位调制单元均为马赫-曾德尔调制回路。

3.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有调整所述第一以及第二光路的相对光相位的相位调整单元。

4.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有调整所述第一以及第二光路的相对光相位的相位调整单元。

5.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有光强度调整单元，该光强度调整单元配置于所述第一、第二、第三以及第四光路中的未配置所述二级相位调制单元的一条光路中。

6.根据权利要求2所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有光强度调整单元，该光强度调整单元配置于所述第一、第二、第三以及第四光路中的未配置所述二级相位调制单元的一条光路中。

7.根据权利要求3所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有光强度调整单元，该光强度调整单元配置于所述第一、第二、第三以及第四光路中的未配置所述二级相位调制单元的一条光路中。

8.根据权利要求4所述的光调制器，其特征在于，所述光调制器还具有光强度调整单元，该光强度调整单元配置于所述第一、第二、第三以及第四光路中的未配置所述二级相位调制单元的一条光路中。

说明书

光调制器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种能够应用于光通信系统的光调制器。

背景技术

[0002] 在光纤通信系统中，重要的课题为提高接收信号灵敏度并且延长传输距离。近年，随着组合了数字信号处理(Digital Signal Processing、DSP)与相干传输技术的数字相干技术的迅速发展，由于光通信中可选的调制格式的扩大，正在盛行尝试通过改进调制格式来提高接收信号灵敏度。

[0003] 作为代表性的具有较高接收信号灵敏度的调制方式，可列举出偏振切换四级相移调制(Polarization-Switched Quadrature Phase-Shift Keying、PS-QPSK)。所谓PS调制是指对应数据“0”与“1”在瞬时偏振与正交双偏振(“X”与“Y”)之间进行切换，由此相比同偏振度的单一偏振信号，能够追加1bit/symbol的信息量。PS-QPSK通过组合2bit/symbol的QPSK与PS调制而成为3bit/symbol的调制。

[0004] 作为利用了偏振的光调制方式，广泛知晓一种用作使正交双偏振各自独立的偏振复用(Polarization Division Multiplexing、PDM)，相比单一偏振信号，虽然PDM能使信息量达到前者的两倍(若是PDM-QPSK则为2×2＝4bit/symbol)，然而相比单一偏振信号，相同符号速率下的接收信号灵敏度减半。由于PS调制时瞬时为单一偏振，因此能够不降低接收信号灵敏度而增加信息量。

[0005] 实际上，在非专利文献1中，示出了PS-QPSK信号点配置为在使X偏振同相(X1)、X偏振正交(XQ)、Y偏振同相(Y1)以及Y偏振正交(YQ)的各成分作为有基的四维空间中，从接收信号灵敏度的角度来讲是最佳的配置。另外，在非专利文献2中，示出了通过实验得出的利用42.7Gbps PS-QPSK信号的13,600km远距离传输的报告，在实际中也足以应用于横穿太平洋级的远距离传输。

[0006] 作为生成PS-QPSK信号的方法，知晓在非专利文献1的Fig.2中所示的两种方法。即，使QPSK调制器与偏振调制器串联连接的方法(现有技术1)、以及利用PDM-QPSK调制器，通过使驱动该调制器的四个系统的信号持有特定相关性，间隔剔除PDM-QPSK信号点的一半而生成PS-QPSK信号的方法(现有技术2)。

[0007] 图1是表示利用现有技术1的调制器结构的例子。在本例中，QPSK调制单元191与偏振调制单元192串联连接。在图1中，QPSK调制单元191具有普通的结构，即，具有光强度分支比以及耦合比为1:1(0.5:0.5)的光分支以及耦合回路131、132，在由这些构成的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder：MZ)回路的各支路上，分别配置进行二级相位调制(Binary-PSK：BPSK)的BPSK调制单元111以及112，另外在其中一个支路上设有施加π/2的相位变化的移相器121。作为BPSK调制单元，最普遍使用的是在两支路上具有高速相位调制单元的MZ回路(以下，简称为“MZ调制回路”)。BPSK调制单元111、112以及偏振调制单元192分别由二进制数据信号d1、d2以及d3进行驱动。

[0008] 在本例中，设为将BPSK调制单元111、112的动作偏振设为X偏振，向主输入端口101输入强度1的X偏振连续光。由X、Y有基(对应为第一行是X偏振，第二行是Y偏振)的Jones向量所表示的向主输入端口101的输入光电场为Ein、主输出端口102的输出光电场为Eout时，Eout可以用下式表示。

[0009] [公式一]

[0010]       (数式1)

[0011] 在此，T1、T2是分别表示QPSK调制单元191、偏振调制单元192的传递特性的X、Y有基的Jones矩阵。r1、r2分别是光分支以及耦合回路131、132的光强度分支以及耦合比，在本实施方式中，r1＝r2＝0.5。b1、b2分别是BPSK调制单元111、112的调制参数，在符号点(在时间轴上的符号的中心时刻)上，为+1或者-1中的某值。p为偏振调制单元192的调制参数，符号点上取1或者0中的某值。a为QPSK调制单元191相对于Y偏振的透过率，由于向调制单元的输入光为X偏振，因此a的值不影响输出光。

[0012] 另外，在本说明书中，为了将模型简化，假设光分支单元、耦合单元、BPSK调制单元、偏振调制单元、其他的回路要素(包含后述的偏振旋转单元、偏振耦合单元)、以及连接它们的光波导的所有附加损耗为零的理想状态。另外，假设除去偏振调制单元与偏振旋转单元以外，其他的回路要素均为不产生偏振旋转的理想状态(即，Jones矩阵的非对角要素为零的状态)。

[0013] 图2A、图2B以及图2C是表示图1所示的调制器结构中d1至d3与Eout之间关系的两种图表。图2A、图2B分别为X偏振成分、Y各偏振成分的复信号图表，其中横轴表示I相的光电场振幅EXI、EYI，纵轴表示Q相的光电场振幅EXQ、EYQ。接下来，为了与下述的图2C区分，以下将这种图表称为“IQ图表”。图2C为横轴是X’偏振成分的相位 纵轴是Y’偏振成分的相位的图表。然而，如图10所示，X’偏振轴与X偏振轴、Y偏振轴与Y’偏振轴被定义为相互分别相差45°。另外，横轴以及纵轴的表示范围(总宽度)为2π。这种图表常用于表现PS-QPSK信号点配置(例如非专利文献3)，为了与图2A、图2B区分，以下称为“XY图表”。

[0014] 将输出光信号的Jones向量Eout与各图表的纵轴值、横轴值(EXI、EXQ、EYI、EYQ、)的关系进行整理后如下。

[0015] [公式二]

[0016]      (数式2）

[0017] 另外，在PS-QPSK、PDM-QPSK等的不包含强度调制的调制方式中，AＸ′、AY′为恒定值。由此，将 用作表示信号点配置的参数就足以，利用XY图表就能够用一个图表来表现所有信号点的配置。

[0018] 通过公式一以及公式二，本例中各图表的纵轴值、横轴值与各调制单元的调制参数之间的关系如下。

[0019] [公式三]

[0020]     (数式3)

[0021] 图2A、图2B以及图2C中的[d1d2d3]表示相对于各信号点的驱动二进制数据的映像。数据比特值与符号点中各BPSK调制单元以及调制参数的值为1对1关联。在此，对于图1的BPSK调制器111、112(n＝1、2)，设为当dn＝0时bn＝+1(相位0)、dn＝1时bn＝-1(相位π)。另外，对于图1的偏振调制单元192，设为当d3＝0时p＝1、d3＝1时p＝0。通过上面的对应关系与公式3，能够得到图2A、图2B以及图2C所示的映像。

[0022] 如图2A、图2B的IQ振幅图表所示，当d3＝0时Y偏振的信号强度为零，d3＝1时X偏振的信号强度为零，强度非零的偏振侧的信号状态根据d1、d2得到相当于QPSK信号配置的四个值。

[0023] 如图2C所示，当利用XY图表时，能够一次性地表示出作为3bit/symbol调制的PS-QPSK的23＝8点的所有信号点。当输出信号为X偏振(d3＝0)时，由于X’成分与Y’成分的相位差为零，所以对应的信号点位于通过原点且斜率为1的直线上。当输出信号为Y偏振(d3＝1)时，由于X’成分与Y’成分的相位差为π，对应的信号点位于截距为π或者-π且斜率为1的直线上。

[0024] 图3是表示利用现有技术2的调制器结构的例子。在本例中，利用PDM-QPSK调制器300。PDM-QPSK调制器300为普通的结构，即在分支比为1:1的光分支单元330的各输出上连接与现有技术1相同结构的QPSK调制单元391、392，QPSK调制单元391的输出直接连接于偏振耦合单元352，392的输出通过90度偏振旋转单元351连接于偏振耦合回路352。BPSK调制单元311至314分别被二进制信号d1至d4驱动。其中d1至d3利用独立的数据信号，d4生成为下式。

[0025] [公式四]

[0026]

[0027] (

[0028] [公式五]

[0029]

[0030] 表示XOR运算)。

[0031] 以下，为了便于说明，假设将BPSK调制单元311至314的动作偏振设为X’，向主输入端口301输入强度为1的X’偏振连续光。将来自主输出端口302的输出光的X’、Y’有基(对应为第一行是X’偏振，第二行是Y’偏振)Jones向量设定为Eout’，X、Y有基(对应为第一行是X偏振，第二行是Y偏振)Jones向量设定为Eout时，则下面的关系成立。

[0032] [公式六]

[0033]     (数式4)

[0034] 在此，作为X’、Y’有基的Jones矩阵，其中T1’、T2’分别表示QPSK调制单元391、392的传递特性，R’表示90度偏振旋转单元351的传递特性，S1’、S2’分别表示相对于来自端口1(QPSK调制单元391侧)、端口2(QPSK调制单元392侧)的输入的偏振耦合单元352的传递特性。第一行右边的系数

[0035] [公式七]

[0036]

[0037] 是表示通过光分支单元330的分支。b1至b4分别为BPSK调制单元311至314的调制参数，在符号点(在时间轴上的符号的中心时刻)上，为+1或者-1中某值。a1、a2分别为QPSK调制单元391、392相对于Y’偏振的透过率，由于向调制单元的输入光为X’偏振，因此a1、a2的值不影响输出光。

[0038] 通过公式二以及公式四，在本例中以下的关系成立。

[0039] [公式八]

[0040]     (数学5)

[0041] 图4B是示出表示图3所示的调制器结构中d1至d4与Eout之间的关系的XY图表。图中[d1d2d3d4]表示相对于各信号点的驱动二进制数据的映像。数据比特值与符号点中各BPSK调制单元的调制参数的值为1对1关联。在此，设为当dn＝0时bn＝+1(相位0)、dn＝1时bn＝-1(相位π)。通过上面的对应关系与公式5，能够得到图4B所示的映像。

[0042] 为了帮助理解本例的动作原理，首先，在图4A中，表示假设d1至d4均为独立数据，即、通常的PDM-QPSK驱动时的信号点配置。可知作为4bit/symbol调制的PDM-QPSK的24＝16点的信号点以4×4格子状配置于XY图表中。[d1d2]、[d3d4]分别对应于横轴、纵轴。

[0043] 下面参照图4B，根据本例的驱动方法而使

[0044] [公式九]

[0045]

[0046] 即、使d4与d1至d3相关，由此可知信号点的一半被间隔剔除而成为与图2C相同的PS-QPSK的信号点配置。

[0047] 现有技术文献

[0048] 非专利文献

[0049] 非专利文献1：M.Karlsson and E.Agrell,“Which is the most power-efficient modulation format in optical links？,”Opt.Exp.,vol.17,no.13,pp.1081910819,2009.

[0050] 非专利文献2：C.Behrens,D.Lavery,D.S.Millar,S.Makovejs,B.C.Thomsen,R.I.Killey,S.J.Savory and P.Bayvel,“Ultra-long-haul transmission of7×42.9Gbit/s PS-QPSK and PM-BPSK,”Proc.ECOC2011,Mo.2.B.2,2011.

[0051] 非专利文献3：J.K.Fischer,L.Molle,M.Nolle,D.-D.Gros,C.Schubert,“Experimental Investigation of28-GBd Polarization-Switched Quadrature Phase-Shift Keying Signals,”Proc.ECOC2011,Mo.2.B.1,2011.

[0052] 非专利文献4：N.Kikuchi,“Intersymbol Interference(ISI)Suppression Technique for Optical Binary and Multilevel Signal Generation,”J.Lightwave Technol.,Vol.25,No.8,pp.2060-2068,2007.

[0053] 非专利文献5：K.Jinguji,and M.Kawachi,“Synthesis of Coherent Two-Port Lattice-Form Optical Delay-Line Circuit,”J.Lightwave Technol.,Vol.13,No.1,pp.73-82,1995.

[0054] 非专利文献6：K.Jinguji,N.Takato,A.Sugita,and M.Kawachi“, Mach-Zehnder interferometer type optical waveguide coupler with wavelength-flattened coupling ratio,”Electron.Lett.,Vol.26,No.17,pp.1326-1327,1990.

发明内容

[0055] 本发明所要解决的问题

[0056] 然而，在上述现有技术1、2中有一个共通的问题，由于调制器结构而产生原理性的光损耗。然而，在此所讲的“由于调制器结构而产生原理性的光损耗”(以下简称为“原理损耗”)，是指即使因光波导的波导损耗或者过程错误而产生的损耗等为零的理想条件下，在光信号的合成过程中不可避免地产生的光损耗。可知在输入光强度为1时的现有技术1、2的符号点的输出光强度，相当于公式一、公式四中的|Eout|2，但即使是上述任一情况，总是|Eout|2＝1/2而产生3dB的原理损耗。

[0057] 另外，在现有技术1中，还有这样一个问题，由于偏振调制单元的结构而另外产生损耗。例如，在非专利文献3中采用了以下结构，将QPSK调制单元的输出光一分为二，在各光路上设置开关调制器而始终切断两分支信号中某一方，通过偏振光束组合器输出与通过光路相对应的不同的偏振，然而在该结构中，在偏振调制单元内(开关调制部)产生3dB的附加损耗。

[0058] 另外，在现有技术2中，还有这样一个问题，由于不仅需要包含用于生成d4的XOR门的电路，还需要为了进行3bit/symbol调制的四个系统的二进制数据驱动系统与四个BPSK调制单元，因此装置变得复杂。(通常，为了进行N个bit/symbol调制分别需要N个二进制数据驱动系统与N个BPSK调制单元。)

[0059] 本发明鉴于上述问题而做出，其目的是提供一种不产生原理性光损耗并且结构简单的PS-QPSK光调制器。

[0060] 用于解决问题的方法

[0061] 为了解决上述问题，本发明的技术方案1中所述的光调制器具有：使来自主输入端口的输入光一分为二的输入光分支单元；使两个系统的光信号以相互正交的偏振状态相耦合，并向主输出端口输出的最终光耦合单元；位于上述输入光分支单元与最终光耦合单元的中间位置，并具有至少两个输入端口与至少两个输出端口的中间光耦合单元；连接上述输入光分支单元与上述中间光耦合单元并且光路长度彼此大致相等的第一以及第二光路；连接上述中间光耦合单元与上述最终光耦合单元并且光路长度彼此大致乎相等的第三以及第四光路；以及分别配置于上述第一、第二、第三以及第四光路中的三条光路的三个二级相位调制单元。

[0062] 另外，本发明的技术方案2中所述的光调制器中，上述二级相位调制单元均为马赫-曾德尔调制回路。

[0063] 另外，本发明的技术方案3中所述的光调制器，具有调整上述第一以及第二光路的相对光相位的相位调整单元。

[0064] 另外，本发明的技术方案4中所述的光调制器，具有光强度调整单元，该光强度调整单元配置于上述第一、第二、第三以及第四光路中的未配置上述二级相位调制单元的一条光路中。

[0065] 发明效果

[0066] 采用本发明，能够提供一种不产生原理性光损耗并且结构简单的PS-QPSK光调制器。

附图说明

[0067] 图1是表示作为第一现有技术的PS-QPSK调制器的回路结构的图。

[0068] 图2A是作为第一现有技术的PS-QPSK调制器的输出信号图表。

[0069] 图2B是作为第一现有技术的PS-QPSK调制器的输出信号图表。

[0070] 图2C是作为第一现有技术的PS-QPSK调制器的输出信号图表。

[0071] 图3是表示作为第二现有技术的PS-QPSK调制器的回路结构的图。

[0072] 图4A是作为第二现有技术的PS-QPSK调制器的输出信号图表。

[0073] 图4B是作为第二现有技术的PS-QPSK调制器的输出信号图表。

[0074] 图5是表示作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器的回路结构的图。

[0075] 图6A表示作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器内部的光信号状态的输出信号图表。

[0076] 图6B表示作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器内部的光信号状态的输出信号图表。

[0077] 图6C表示作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器内部的光信号状态的输出信号图表。

[0078] 图7A是作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0079] 图7B是作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0080] 图7C是作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0081] 图8是表示作为本发明的第二实施方式的PS-QPSK调制器的回路结构的图。

[0082] 图9A是作为本发明的第二实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0083] 图9B是作为本发明的第二实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0084] 图9C是作为本发明的第二实施方式的PS-QPSK调制器的最终的输出信号图表。

[0085] 图10是表示本说明书中偏振轴的定义的图。

具体实施方式

[0086] 本发明涉及一种调制器的回路结构，由于其效果不依赖于形成调制器的材料，在以下所示的实施方式中，不特别指定材料。作为形成调制器的材料，可以使用具有作为电光学(Electro-Optic：EO)效应的一种的普克尔效应的LiNbO3(LN)或者KTa1-xNbxO3或者K1-yLiyTa1-xNbxO3等多元系氧化物结晶、能够通过电场吸收(Electro-Absorption：EA)效应或者量子限制斯塔克效应(Quantum Confined Stark Effect：QCSE)对折射率或者吸收系数进行调制的GaAs系或者InP系的化合物半导体、以及具有发色团等EO效应的聚合物等。另外，为了将结构复杂的调制器回路制成低损耗，如非专利文献1所示，也可以采用上述材料基板与石英系平面光波回路(Planar Lightwave Circuit：PLC)的不同种类基板接合型结构。另外，作为偏振旋转单元或偏振耦合单元，也可以使用整体型光学元件。

[0087] 以下，在实施方式中，表示了由多个BPSK调制单元组合而成的多级调制器的结构，然而作为BPSK调制单元，最通常为利用MZ调制回路。如非专利文献4中所详细论述的那样，MZ调制回路具有如下优点，用能施加支路间相位差+π至-π的电压振幅推挽驱动MZ调制回路时，能够使由于驱动电气信号噪音而产生的光输出的起伏为最小，从而能够抑制符号间干扰。然而，由于本发明的效果不依赖于BPSK调制单元的具体结构，所以例如也可以采用直线型的相位调制器等。

[0088] 另外，若无特别限定时，MZ回路的两支路的光路长度均为等长。实际上，由于过程错误或者DC漂移等原因，光路长度产生偏差，然而，一般对于这样的偏差而言，能够通过移相器的调整进行补偿。由于补偿量因材料或制造条件以及调制器的使用环境等各有不同，从而不能设定成某一值。因此，在以下的实施方式中的移相器的移相量的值，不包含用于补偿光路长度的移相部分。另外，以下，在实施方式中，为了简化通过公式进行的说明，将移相器仅配置于MZ回路中一方的支路上，然而，由于在MZ回路中，支路间相位差为本质上的参数，因此即使将移相器配置于另一方的支路上，或者配置于两方的支路上，都能够得到相同的效果，这是显而易见的，本发明的效果不依赖于用于配置移相器的支路(一方的支路、另一方的支路、两方的支路)的选择。

[0089] (第一实施方式)

[0090] 图5是表示作为本发明的第一实施方式的PS-QPSK调制器的结构。其由以下单元构成：主输入端口501；输入光分支单元531；中间光耦合单元532；最终光耦合单元581；连接输入光分支单元与中间光耦合单元的光路561和562；连接中间光耦合单元与最终光耦合单元的光路563和564；分别配置于光路561、562、563的BPSK调制单元511、512、513；使光路561和562的相对相位调整为π/2的相位调整单元521；配置于光路564的光强度调整单元541；以及主输出端口502。光路561和562的光路长度大致相等，另外光路563和564的光路长度也大致相等。(在此所谓“光路长度大致相等”的意思为调制符号速率的倒数，即相对于1个符号时间，光路间的组延迟时间差足够小。)最终光耦合单元581由使光路563和564的相对相位调整为0的相位调整单元522、使光路564的光信号的偏振旋转90度的偏振旋转单元551以及偏振耦合单元552构成。另外，如上所述，在本说明书中由于假设BPSK调制单元的附加损耗为
0dB，从而光强度调制单元541的损耗也被设定为0dB。实际上，将光强度调制单元541的损耗设定为与BPSK调制单元513的附加损耗相等的值。

[0091] 输入光分支单元531、BPSK调制单元511以及512、相位调整单元521以及中间光耦合单元532构成与上述现有技术1以及2所利用的大致相等的QPSK调制单元，然而不同点在于光分支单元531以及耦合单元532为光强度耦合比1:1(0.5:0.5)的双输入双输出的定向耦合器。

[0092] 如众所周知的，可以用下式表示定向耦合器的传递特性(参照非专利文献5等)。

[0093] [公式十]

[0094]      (数式6)

[0095] 然而Ein，A、Ein，B分别为来自输入端口A、B的输入光电场、Eout，C、Eout，D分别为来自输出端口C、D的输出光电场(均表现为复数)，r为光强度耦合比。

[0096] 以下，将BPSK调制单元511至513的动作偏振设为X’，向主输入端口501输入强度为1的X’偏振连续光。将利用X’、Y’有基Jones矩阵所表示的从主输入端口向中间光耦合单元的光路561侧输出端口的传递特性设为T1’、从主输入端口向中间光耦合单元的光路562侧输出端口的传递特性设为T2’时，T1’、T2’可以表示为如下。

[0097] [公式十一]

[0098]     (数式7)

[0099] 在此，b1、b2分别为BPSK调制单元511、512的调制参数，在符号点(在时间轴上符号的中心时刻)上为+1或者-1中的某值。a1、a2分别为相对于Y’偏振的透过率，然而，由于向调制单元的输入光为X’偏振，从而a1、a2的值不影响输出光。

[0100] 将中间光耦合单元的光路563侧输出端口的信号光的X’、Y’有基Jones向量设为E1’、光路564侧输出端口的信号光的X’、Y’有基Jones向量设为E2’、BPSK调制单元513之后的信号光的X’、Y’有基Jones向量设为E3’时、根据公式七，E1’、E2’、E3’如下。

[0101] [公式十二]

[0102]    (数式8)

[0103] 在此，b3为BPSK调制单元513的调制参数，在符号点(在时间轴上符号的中心时刻)上为+1或者-1中的某值。a3为BPSK调制单元513相对于Y’偏振的透过率，然而，由于向调制单元的输入光为X’偏振，从而a3的值不影响输出光。当比较E1’、E2’时，可知b1项与b2项的相对相位的正负成互换形式，这些信号光互相成为正相信号与反相信号的关系。

[0104] 另外，将来自主输出端口502的输出光的X’、Y’有基Jones向量设为Eout’、X、Y有基Jones向量设为Eout时，则以下关系成立。

[0105] [公式十三]

[0106]      (数式9)

[0107] 在此，φ为相位调整单元522的移相量，在本例中φ＝0。作为X’、Y’有基Jones矩阵，其中R’表示90度偏振旋转单元551的传递特性，S1’、S2’分别表示偏振耦合单元552相对于来自光路563侧、光路564侧的光信号的传递特性。在本例中，偏振耦合单元552为偏振轴X’、Y’的偏振光束组合器。

[0108] 根据公式二以及公式九，在本例中以下关系成立。

[0109] [公式十四]

[0110]     (数式10)

[0111] 图6A、图6B以及图6C是表示图5所示的调制器结构中d1至d3与公式八所示的E1’、E2’、E3’之间的关系的X’偏振的IQ图表。图6A为E1’图表、图6B为E2’图表、图6C为E3’图表。图中的[d1d2d3]表示相对于各信号点驱动的二进制数据的映像。数据比特值与符号点中各BPSK调制单元以及调制参数的值为1对1关联。在此，dn＝0时bn＝+1(相位0)，dn＝1时bn＝-1(相位π)。通过上述的对应关系与公式八，得到图6A、图6B以及图6C所示的映像。另外，由于E1’、E2’不依赖于b3，所以在图6A、图6B中第三比特的数据为x(任意值)。

[0112] 当比较图6A、图6B时，信号点所绘制的图形为相同的正方形，然而数据映像不同，可知按照[00x]、[01x]、[11x]、[10x]的顺序确认信号点时，相互成为反方向。即，E1’与E2’成为正相信号与反相信号的关系。另外，如图6C所示，可知E3’为在各信号点上使两个种类的数据重合的QPSK信号。

[0113] 图7A、图7B以及图7C是表示图5所示的调制器结构中d1至d3与公式九所示的Eout之间关系的IQ图表以及XY图表。图7A为Eout的X偏振的IQ图表，图7B为Eout的Y偏振的IQ图表，图7C为Eout的XY图表。根据上述的dn与bn的对应关系以及公式十，能够得到图7A、图7B以及图7C所示的映像。

[0114] 如图7C所示，可知与图2C或图4B所示的现有技术的输出信号相同，在本例中也能够得到由八个信号点构成的XY图表，从而能够得到PS-QPSK信号。

[0115] 能够按照以下内容说明图7C与图6B、图6C的对应关系。如图5所示，由于E2’保持X’偏振不变而E3’为偏振旋转90°的Y’偏振进而分别入射于偏振耦合单元552，因此，图7C的横轴对应于图6C所示的E3’的相位，图7C的纵轴对应于图6B所示的E2’的相位。图6B的点[d1d2x]对应于四个值的纵轴位置(-0.75π、-0.25π、+0.25π、+0.75π)中的某一值，其对应于该纵轴位置的两点与图6C的[d1d20]与[d1d21]相对应。例如，图6B的[10x]与图7C的纵轴位置+0.25π相对应，在同纵轴位置上，出现了对应于图6C[100]与[101]的两点。

[0116] 然而，当图7A、图7B的IQ图表与图2A、图2B所示的现有技术的IQ图表相比时，可知各信号点的移动半径为

[0117] [公式十五]

[0118]

[0119] 这意味着相对于相同的输入光强度，在本实施例中能够得到现有例的两倍的输出光强度。如上所述，相对于现有技术1、2(公式1、4)中，|Eout|2＝1/2，在本实施例(公式九)中，|Eout|2＝1。即，相对于在现有技术中产生的原理损耗为3dB，在本实施例中的原理损耗为0dB。

[0120] 如上述说明，在本实施例中，通过由三个系统的二进制数据驱动系统与三个BPSK调制单元构成的简单结构，能够不产生原理损耗而生成PS-QPSK信号。

[0121] 另外，在本实施例中，通过公式九可明白原理损耗为0dB，但以下将定性、直感地说明其原理。在现有技术中，对应于图6A、图6B的信号，即正相信号与反相信号中，仅其中一方用于最终的输出信号的合成，另外一方如图1、图3所示，在光耦合部中作为放射光被舍弃。这就是3dB的原理损耗的主要原因。通常，经常利用以下结构：不将反相信号(或者正相信号)作为放射光而舍弃而将其作为监视器信号光，然而在此时，由于监视器信号光不作为输出信号光，所以与相对于主输出信号的原理损耗，同于将反相信号(或者正相信号)作为放射光而舍弃。相对于此，在本发明中，能够进一步对正相信号与反相信号中的一方进行调制，并且通过正交偏振的方法使两者合成而得到最终的输出信号，根据这一新构想，能够使原理损耗为0dB。

[0122] 另外，在包含本实施方式的本发明所有实施方式中，作为双输入双输出的中间光耦合单元，除了定向耦合器以外，也可以使用多模干涉(Multi Mode Interference：MMI)耦合器或者非专利文献6中所示的波长无依存耦合器(Wavelength Insensitive Coupler：WINC)。虽然这些耦合器的传递函数不同于公式六，然而无论使用任何形式的双输入双输出的耦合器，来自其输出端口的光信号相互成为正相信号与反相信号的关系。这种关系能够通过光耦合器的相反性和能量守恒定律进行推导(严格来讲，有可能由于耦合器的内部损耗而导致信号图表的紊乱，然而只要使用内部损耗足够小的耦合器就没有问题)。另外，作为输入光分支单元，可以使用如本例中的双输入双输出耦合器，另外，也可以使用Y字形的耦合器。然而，由于耦合器的相位特性根据耦合器的种类不同而不同，因此需要根据所使用的耦合器的种类从上述的值来改变移相器521的相移量。

[0123] 另外，在最终光耦合单元581中，偏振旋转单元551的配置不限于设置在如上述的光路564侧，也可以设置在光路563侧并且利用与之相应的偏振耦合单元。一般而言，由于偏振状态在光路563侧与564侧正交即可，所以例如可在光路563侧设置θ度偏振旋转单元，564侧设置90-θ度偏振旋转单元，利用偏振轴对应于这些输出偏振的偏振耦合单元即可。

[0124] 另外，在光耦合单元581中，设置用于调整光路563侧与564侧光信号的相对相位的相位调整单元522而使其移相量φ＝0，然而在实际中也可以在较多情况下去掉该相位调整单元522。原因是，光路563侧与564侧光信号的相对相位对本结构的偏振正交性不产生影响。假设去掉了相位调整单元522，对第三以及第二光信号的相对相位φ0不进行控制。φ0为这样一种值，其为依赖于制造时的折射率起伏等的固定值，或者为通过LN波导等的DC漂移作用下相对于调制符号速率以足够慢的速度变化的值。由于光路563侧与564侧的光信号为来自主输出端口502的最终输出信号中的X’偏振成分与Y’偏振成分，即，φ0相当于最终输出信号中的X’偏振成分与Y’偏振成分的相位差。即，使φ0移动仅相当于使彭加莱球围绕S1轴进行旋转的操作，在图7C的XY图表中，仅相当于使信号点在纵轴方向平移φ0。由于即使进行这样的操作也可以保证两偏振状态的正交性，输出信号为PS-QPSK信号的情况不改变。例如，当φ0＝π/2时，输出信号的瞬时偏振在右旋偏振光与左旋偏振光之间进行切换，然而由于两偏振状态为正交，因此没有问题。另外，由于通常偏振状态在传输路径上进行任意的旋转，因此需要在接受信号侧对偏振状态进行跟踪操作(在数字相干传输中，通过数字信号处理而实现)，无论如何，都能使φ0在接受信号侧自动得到补偿。作为需要相位调整单元
522的特殊情况，例如可以考虑到调制器的输出纤维为偏振保持纤维，需要使输出偏振对应于偏振保持纤维的轴的情况等。

[0125] 另外，在下述情况下无需光相位调整单元521：能够利用高精度地控制光路561、562之间的相对相位为π/2的制作技术，并且光路1以及光路2使用不产生DC偏置漂移的材料。另外，如上所述，对于光强度调整单元541而言，设置目的是为了如上所述补偿因BPSK调制单元513造成的附加损耗部分，然而由于考虑到通常BPSK调制单元513的附加损耗不随时间推移而变化，从而光强度调整单元514的损耗值可以基本上为固定值。因此，当BPSK调制单元的制造偏差较小时，也可以将在设计阶段使损耗值固定的调整单元(制造后不能调整)用作光强度调整单元541，例如故意减小光路564的波导弯曲部的弯曲半径来增大弯曲损耗，或者故意导入短距离的波导断线来产生放射损耗等。当BPSK调制单元513的附加损耗的制造偏差较大时，作为出货前调整，优选能够改变光强度调整单元541的损耗值，此时优选，例如使用如由热或光照射进行修整而使损耗值稳定于希望值的方法，用户无需在出货后逐一调整损耗值。另外，当BPSK调制单元513的附加损耗足够小时，则不需要使用光强度调整单元541自身。为了不使用光强度调整单元541，由于BPSK调整单元的附加损耗的上限值αMAX(dB)是根据考虑了包含传输路径以及接受信号器的整个传输系统的特性的偏振正交度的要求值而决定，因此不能一概地进行决定，但是例如如果在调制器输出时刻的偏振正交度的要求规格为90±δθ度时，大致估测为如下。

[0126] [公式十六]

[0127]

[0128] 例如δθ＝5度时，大致αMAX＝0.4dB。实际上，更合适的方法是，还要考虑到相对于来自偏振旋转单元551或偏振耦合单元552的理想特性的偏差的余量，将αMAX估测为小于从上式获得的值。

[0129] 另外，即使将BPSK调制单元513配置于光路564，将光强度调整单元541配置于光路563，仅数据映像发生改变，也能够得到同等的效果，这是显而易见的。

[0130] (第二实施方式)

[0131] 图8是表示作为本发明的第二实施方式的PS-QPSK调制器的结构。其由以下单元构成：主输入端口801；输入光分支单元831；中间光耦合单元832；最终光耦合单元881；连接输入光分支单元与中间光耦合单元的光路861以及862；连接中间光耦合单元与最终光耦合单元的光路863和864；分别配置于光路861、863、864的BPSK调制单元811、812、813；使光路861与862的相对相位调整为π/2的相位调整单元821；配置于光路862的光强度调整单元841；以及主输出端口802。光路861与862的光路长度大致相等，另外光路863与864的光路长度也大致相等。最终光耦合单元881由使光路863与864的相对相位调整为0的相位调整单元822、使光路864的光信号的偏振旋转90度的偏振旋转单元851以及偏振耦合单元852构成。另外，如上所述，本说明书中由于假设BPSK调制单元的附加损耗为0dB，因此光强度调整单元841的损耗也被设定为0dB。实际上，光强度调整单元841的损耗设定为与BPSK调制单元811的附加损耗相等的值。

[0132] 以下，将BPSK调制单元811至813的动作偏振设为X’、朝向主输入端口801输入强度为1的X’偏振连续光。将利用X’、Y’有基Jones矩阵所表示的从主输入端口向中间光耦合单元的光路863侧输出端口的传递特性设为T1’、从主输入端口向中间光耦合单元的光路864侧输出端口的传递特性设为T2’时，T1’、T2’可以表示为如下。

[0133] [公式十七]

[0134]     (数式11)

[0135] 在此，b1为BPSK调制单元811的调制参数，在符号点(在时间轴上的符号的中心时刻)上为+1或者-1中的某值。a1、a2分别为相对于Y’偏振的透过率，然而，由于向调制单元的输入光为X’偏振，因此a1、a2的值不影响输出光。

[0136] 将BPSK调制单元812之后的信号光的X’、Y’有基Jones向量设为E2’、BPSK调制单元813之后的信号光的X’、Y’有基Jones向量设为E3’时，根据公式十一，E2’、E3’如下。

[0137] [公式十八]

[0138]    (数式12)

[0139] 在此，b2、b3分别为BPSK调制单元812、813的调制参数，在符号点(在时间轴上的符号的中心时刻)上为+1或者-1中某值。a3为BPSK调制单元813相对于Y’偏振的透过率，然而，由于向调制单元的输入光为X’偏振，因此a3的值不影响输出光。

[0140] 另外，将来自主输入端口802的输出光的X’、Y’有基Jones向量设为Eout’、X、Y有基Jones向量设为Eout时，则以下关系成立。

[0141] [公式十九]

[0142]     (数式13)

[0143] 在此，φ为相位调整单元822的移相量，在本例中φ＝0。作为X’、Y’有基Jones矩阵，其中R’表示90度偏振旋转单元851的传递特性，S1’、S2’分别表示偏振耦合单元852相对于来自光路863侧、光路864侧光信号的传递特性。在本例中，偏振耦合单元852为偏振轴X’、Y’的偏振光束组合器。

[0144] 根据公式二以及公式十三，在本例中以下关系成立。

[0145] [公式二十]

[0146]     (数式14)

[0147] 图9A、图9B以及图9C是表示图8所示的调制器结构中d1至d3与公式十三所示的Eout之间的关系的IQ图表以及XY图表。图9A为Eout的X偏振的IQ图表，图9B为Eout的Y偏振的IQ图表，图9C为Eout的XY图表。根据上述的dn与bn的对应关系以及公式十四，能够得到图9A、图9B以及图9C所示的映像。

[0148] 如图9C所示，可知与图2C或图4B所示的现有技术的输出信号相同，在本例中也能够得到由八个信号点构成的XY图表，从而能够得到PS-QPSK信号。

[0149] 当图9A、图9B的IQ图表与图2A、图2B所示的现有技术的IQ图表相比时，可知各信号点的移动半径为

[0150] [公式二十一]

[0151]

[0152] 这意味着相对于相等的输入光强度，在本实施例中能够得到现有例的两倍的输出光强度。如上所述，相对于现有技术1、2(公式1、4)中，|Eout|2＝1/2，在本实施例(公式十三)2
中，|Eout| ＝1。即，相对于在现有技术中产生的原理损耗为3dB，在本实施例中的原理损耗为0dB。

[0153] 如上述说明那样，在本实施例中，通过由三个系统的二进制数据驱动系统与三个BPSK调制单元构成的简单结构，能够不产生原理损耗而生成PS-QPSK信号。

[0154] 另外，在本实施例中，作为原理损耗为0dB的原因的定性、直感的说明与上述实施例1的情况大致相同。在本实施例中，由中间光耦合单元832向光路863侧的输出与向864侧的输出分别为相位变化量π/2的不规则二级相位调制信号，然而，两输出相互呈正相与反相关系(相移方向相反)。用分别独立的数据对这些正相信号与反相信号进一步进行调制，并且通过正交偏振的方法使两者合成而得到最终的输出信号，根据这一新构想，能够使原理损耗为0dB。

[0155] 另外，对于最终光耦合单元881中偏振旋转单元851的配置而言，也与上述实施例1相同，只要偏振状态在光路863侧与864侧正交，怎样配置均可。对于在较多情况下不设置相位调制单元822的情况而言，也与实施例1相同。能够利用高精度地控制光路间相对相位的制作技术以及材料时，不设置光相位调整单元821的情况，也与实施例1相同。另外，对于光强度调整单元841而言，以下情况均与实施例1相同：通常损耗值为固定值即可；当BPSK调制单元811附加损耗的制造偏差较小时，也可以使用在设计阶段使损耗值得以固定的调整方法(以较小半径进行弯曲等)；当BPSK调制单元811的附加损耗的制造偏差较大时，采用进行修整而使损耗值稳定于希望值的方法，用户无需再出货后逐一调整损耗值；当BPSK调制单元811的附加损耗足够小时，则不需要设置光强度调整单元841。

[0156] 另外，即使将BPSK调制单元811配置于光路862，将光强度调整单元841配置于光路861，仅数据映像发生变化，也能够得到同等的效果，这是能容易地确认到的。

[0157] 采用如上述的本发明，能够提供一种不产生原理性光损耗，并且结构简单的PS-QPSK光调制器。

[0158] 附图标记说明

[0159] 501、801：主输入端口

[0160] 502、802：主输出端口

[0161] 511、512、513、811、812、813：BPSK调制单元

[0162] 521、522、821、822：相位调整单元

[0163] 531、831：输入光分支单元

[0164] 532、832：中间光耦合单元

[0165] 541、841：光强度调整单元

[0166] 551、851：偏振旋转单元

[0167] 552、852：偏振耦合单元

[0168] 561、562、563、564、861、862、863、864：光路

[0169] 581、881：最终光耦合单元